Partie 1. Le fonctionnement d’une centrale nucléaire REP en quelques mots
Nous présenterons ici le fonctionnement des centrales nucléaires à eau sous pression (REP), qui sont la principale filière dans le monde. Il y a trois étapes dans le fonctionnement d’une centrale nucléaire : le circuit primaire, le circuit secondaire et le refroidissement.
- Circuit primaire. L’activité de la centrale commence avec la chaleur produite par le réacteur nucléaire. Les barres de combustibles sont immergées dans l’eau. Leur fission produit une grande quantité de chaleur, qui va chauffer l’eau à plusieurs centaines de degrés. Elle est néanmoins mise sous pression pour ne pas se changer en vapeur. C’est un circuit fermé.
- Circuit secondaire. Un tuyau contenant l’eau sous pression et surchauffée du circuit primaire va passer dans un générateur de chaleur. L’eau s’y trouvant va, elle-même, surchauffer et être mise sous pression. Cette eau (67.5 bars et 283°C) va ensuite divisée en deux. Une partie est utilisée pour faire tourner une turbine à haute pression. Une portion de cette vapeur a encore de l’énergie après cela. Elle va rejoindre l’autre partie de l’eau sous pression et, ensemble, elles vont animer les turbines basses pression. Les turbines entrainent un alternateur, qui produit un courant électrique alternatif. Son voltage est ensuite augmenté pour être transporté dans les lignes à haute tension.
- Circuit de refroidissement. L’eau issue des turbines basses pression va être transférée à un espace où elle va être refroidie par de l’eau prélevée dans l’environnement. Puis arrive à environ 9 bars et 180°C dans un réservoir avant d’être renvoyée, sous pression (71.5b), vers le circuit primaire. L’eau de refroidissement est, pour sa part, transmise aux tours de réfrigération. Là, elle va s’évaporer et, pour l’essentiel, être refroidie par un système d’appel d’air froid et retomber, puis être restituée à l’environnement. Le reste est la vapeur d’eau qu’on voit s’échapper des tours de réfrigération.
Partie 2. Les parties d’une centrale nucléaire à fission
Globalement, une centrale nucléaire est divisée entre deux bâtiments: l’îlot nucléaire, qui contient les installations propre à l’énergie nucléaire, et l’îlot conventionnel, dont les parties sont similaires à celles des centrales thermiques en général. Toutefois, je n’irai pas dans ce niveau de détail. Nous verrons les principales parties sur lesquelles repose le fonctionnement d’une centrale nucléaire à fission:
- Le coeur de la centrale est le réacteur nucléaire. C’est là où se produit la réaction nucléaire: le combustible fissible est agité pour produire une fission nucléaire. Etant immergé dans l’eau, la chaleur produite se transmet et sera par la suite exploitée par une turbine .C’est le centre de l’innovation technologique en la matière. Les grands progrès sont les réacteurs de 3e génération, les réacteurs de 4e génération et les SMR (Small and Medium Reactors), des réacteurs de petite envergure.
- Les turbines, actionnées par la vapeur produite par le réacteur nucléaire. C’est une pièce cruciale, qui va déterminer l’efficience du dispositif: quelle proportion de l’énergie produite par la vapeur va-t-on pouvoir capter ?
- Comme pour toutes les centrales, il faut transformer le courant continu produit en courant alternatif. C’est fait grâce à un alternateur. Une fois que c’est fait, il faut élever le voltage pour envoyer le courant dans les lignes à haute tension. C’est le rôle du transformateur.
- La tour de réfrigération. C’est l’aboutissement du système de refroidissement. Des tuyaux vont pulvériser l’eau de refroidissement. Celle-ci s’évapore rapidement. Cela crée une zone très chaude à la base de la tour. L’air s’élève et crée un appel d’air à la base de la tour. Deux entrées d’air permettent à l’air froid extérieur de s’engouffrer. C’est « l’effet de cheminée ». Cet air froid va refroidir l’eau et la faire retomber en goutelettes. Seule une petite partie de l’eau parviendra finalement à s’échapper: ~2%. Les tours ne sont néanmoins pas systématiques: il est aussi possible de faire un échange eau/eau avec la mer ou un cours d’eau avoisinnant.
Reconnaitre une tour de réfrigération nucléaire: https://twitter.com/laydgeur/status/1379160279905406980
Partie 3. Le combustible nucléaire et son cycle de vie
Pour fonctionner, les centrales nucléaires ont évidemment besoin d’un combustible nucléaire. Il y en a de différentes sortes. Le plus important est l’uranium enrichi: une combinaison d’uranium 238, avec une petite proportion d’uranium 235. Il est également possible d’utiliser du MOX (acronyme de « Mixed uranium and plutonium OXide »), produit avec de l’uranium usagé. Des recherches sont faites pour utiliser du thorium. Les réacteurs de 4e génération à neutrons rapides permettraient d’utiliser de l’uranium naturel (ne contenant presque que de l’uranium 238).
La question se pose, une fois le combustible usagé, qu’en faire ? Une partie du combustible aura néanmoins été dégradé et devra être stocké comme déchêt nucléaire. Une autre partie, l’uranium 238, sera stocké. En France, le combustible peut être recyclé une fois. C’est la question du cycle de vie du combustible nucléaire.
Partie 4. Le cycle de vie des centrales nucléaires
- Combien de temps faut-il pour construire une centrale nucléaire ?
- Combien de temps une centrale nucléaire peut fonctionner ?
- Comment démanteler une centrale nucléaire ?
Partie 5. La production de chaleur: la piste de la cogénération nucléaire
Comme nous l’avons vu, seule une partie de la chaleur produite par le combustible nucléaire est transformée en électricité: de l’ordre de 30-40%, comme un peu toutes les centrales thermiques. Une solution pour mieux valoriser l’énergie produite pourrait être d’utiliser la chaleur produite directement par « cogénération ». Il y a plusieurs pistes pour cela, dont les plus intéressantes sont les réseaux urbains de chaleur et l’électrolyse à haute température.
Réseaux de chaleur:
- https://www.dw.com/en/czech-researchers-develop-revolutionary-nuclear-heating-plant/a-57072924
Electrolyse EHT
- https://trends.levif.be/economie/entreprises/hydrogene-et-reseaux-de-chaleur-debouches-alternatifs-du-nucleaire/article-opinion-1469545.html
Pour aller plus loin:
- INA, Présentation du fonctionnement d’un réacteur nucléaire au 13h de 1979
- Thread très bien expliqué avec beaucoup d’illustrations: https://twitter.com/Ralamast/status/1469769341021429766
- Visite de la centrale tchèque de Témelin: https://twitter.com/IAEANE/status/1607815893710475268
- https://www.connaissancedesenergies.org/la-filiere-nucleaire-devoile-un-nouveau-rapport-sur-ses-couts-221209